1、工業防毒技術- 1 -第第3 3章有害氣體的燃燒凈化章有害氣體的燃燒凈化第一節第一節 概述概述 第二節第二節 熱力燃燒原理熱力燃燒原理第三節第三節 熱力燃燒爐熱力燃燒爐第四節第四節 催化燃燒原理催化燃燒原理第五節第五節 催化燃燒裝置催化燃燒裝置第六節第六節 安全措施安全措施工業防毒技術- 2 -第一節概述第一節概述將有毒有害氣體、蒸氣和煙塵用燃燒的方法進行消除，將有毒有害氣體、蒸氣和煙塵用燃燒的方法進行消除，稱為燃燒凈化技術。稱為燃燒凈化技術。燃燒凈化具有以下三個持點：燃燒凈化具有以下三個持點：1.1.燃燒凈化法適用于對可燃燒凈化法適用于對可燃物質或在高溫下可進行分解的物質的處理；燃物質或在高

2、溫下可進行分解的物質的處理；2 2燃燒凈化法燃燒或分解的最終產物是燃燒凈化法燃燒或分解的最終產物是無毒無害的物質無毒無害的物質；3.3.燃燒凈化法不能獲得原物質的回收；燃燒凈化法不能獲得原物質的回收；4.4.在燃燒凈化中可以回收燃燒氧化過程中的熱量。在燃燒凈化中可以回收燃燒氧化過程中的熱量。工業上燃燒凈化法廣泛用于處理有機溶劑蒸氣、碳氫化合物及惡臭氣體的工業上燃燒凈化法廣泛用于處理有機溶劑蒸氣、碳氫化合物及惡臭氣體的凈化處理，這些物質在燃燒過程中被氧化成二氧化碳和水蒸氣，同時回收凈化處理，這些物質在燃燒過程中被氧化成二氧化碳和水蒸氣，同時回收燃燒過程中的熱量。燃燒過程中的熱量。工業防毒技術-

3、3 -（1）直接燃燒（直接火焰燃燒）概念：把廢氣中可燃的有害組分當作燃料直接燃燒，從而達到凈化的目的。只適用于可燃有害組分濃度較高濃度較高或燃燒熱值較高燃燒熱值較高的氣體。即廢氣中的可燃物質可燃物質濃度較高濃度較高，燃燒產生的熱量足以維持燃燒過程連續進行維持燃燒過程連續進行時采用特點：A 不需要預熱B 燃燒狀態是在高溫下滯留短時間的有火焰燃燒，能回收熱能C 適用于凈化可燃組分濃度較高或燃燒熱值較高的氣體工業防毒技術- 4 -工業防毒技術- 5 -（2）熱力燃燒1）定義：利用輔助燃料燃燒放出的熱量將混合氣體加熱到要求的溫度，使可燃有害組分在高溫下分解成無害物，以達到凈化的目的2）燃燒過程附加燃料

4、首先和部分廢氣混合并進行燃燒，產生高溫氣體大部分廢氣則與附加燃料燃燒生成的高溫氣休混合，并使其達到反應溫度可燃污染物在高溫下與氧反應，轉化成非污染物后排放。4）熱力燃燒的特點需要進行預熱，溫度范圍控制在540-820度，可以燒掉廢氣中的炭粒，氣態污染物最終被氧化分解為C02、H2O等。燃燒狀態時在較高溫度下停留一定時間的有焰燃燒適用于各種氣體的燃燒，能除去有機物及超細顆粒物結構簡單，占用空間小，維修費用低工業防毒技術- 6 -（3）催化燃燒利用催化劑使廢棄中可燃物質在較低溫度下氧化分解的凈化方法。在催化劑的作用下，加快污染物質的燃燒速度。1）流程預處理預處理：除去粉塵、液滴及有害組分，避免催化

5、床層的堵塞和催化劑中毒；預熱預熱：進入催化床層的氣體必須，達到起燃溫度回收利用：回收利用：催化放出大量的熱，燃燒尾氣溫度高，對這部分熱量必須加以回收利用2）特點需預熱，溫度控制在200-400度，為無火焰燃燒，安全性好燃燒溫度低，輔助燃料消耗少對可燃性組分的濃度和熱值限制較少，但組分中不能含有塵粒、霧滴和易使催化劑中毒的氣體催化劑費用高工業防毒技術- 7 -工業防毒技術- 8 -工業防毒技術- 9 -第二節 熱力燃燒原理一、有關燃燒的幾個概念（一）燃燒與熱力燃燒燃燒反應必須具有如下3個特征： (1) 是一個劇烈的氧化還原反應； (2) 放出大量的熱； (3) 發出光。燃燒的必要條件： 即可燃物

6、：凡是能與空氣中的氧或其他氧化劑起燃燒化學反應的物質稱為可燃物。可燃物按其物理化學反應狀態分為氣體可燃物、液體可燃物和固體可燃物三種類別。氧化劑：幫助和支持可燃物燃燒的物質，即能與可燃物發生氧化反應的物質稱為氧化劑。燃燒過程中的氧化劑主要是空氣中游離的氧，另外如氟、氯等也可以作為燃燒反應的氧化劑。 溫度（引火源）：是指供給可燃物與氧或助燃劑發生燃燒反應能量來源。常見的是熱能，其它還有化學能、電能、機械能等轉變的熱能。工業防毒技術- 10 -燃燒的充分條件：但是，并不是上述三個條件同時存在，就一定會發生燃燒現象，還必須這三個因素相互作用才能發生燃燒。 1、可燃物與助燃物達到一定的比例； 2、助燃

7、物達到達到一定的濃度； 3、超過最小的點火能或超過一定強度的升溫明火源； 4、滿足了燃燒所需要的燃燒誘導期。（二）混合氣體的燃燒與爆炸（二）混合氣體的燃燒與爆炸爆炸是大量能量在瞬間以對外做功的形式迅速釋放，物系狀態發生突變。表現為氣體的迅速膨脹。1）爆炸的特征： 爆炸過程進行得很快； 爆炸點附近瞬間壓力急劇上升； 發出聲響； 周圍建筑物或裝置發生震動或遭到破壞。 2）爆炸的破壞形式: 直接的爆炸破壞：對周圍設備、建筑和人的直接作用，它直接造成機械設備、裝置、容器和建筑的毀壞和人員傷亡； 沖擊波的破壞； 造成火災。工業防毒技術- 11 -工業防毒技術- 12 -爆炸分類爆炸分類 爆炸可分為：爆炸

8、可分為：物理爆炸、化學爆炸和核爆炸物理爆炸、化學爆炸和核爆炸三大類。三大類。 1 1、物理爆炸、物理爆炸 物理爆炸是物理過程，只發生物態變化，不發生化學反應。如鍋爐爆炸、輪物理爆炸是物理過程，只發生物態變化，不發生化學反應。如鍋爐爆炸、輪胎爆炸等。胎爆炸等。 2 2、化學爆炸、化學爆炸 化學爆炸是化學過程，爆炸前后物質的化學組成及化學性質都發生了變化。化學爆炸是化學過程，爆炸前后物質的化學組成及化學性質都發生了變化。化學爆炸可分為化學爆炸可分為分解爆炸（簡單分解爆炸：不一定有燃燒發生；復雜分解爆分解爆炸（簡單分解爆炸：不一定有燃燒發生；復雜分解爆炸：有燃燒發生）和爆炸性混合物爆炸（爆炸混合物至

9、少由兩種組分組成）炸：有燃燒發生）和爆炸性混合物爆炸（爆炸混合物至少由兩種組分組成）兩類。兩類。工業防毒技術- 13 -（三）爆炸極限濃度范圍可燃性氣體或蒸汽預先按一定比例與空氣的混合物，稱為爆炸性混合氣體。 當混合物中可燃氣體的含量接近化學當量時，燃燒最快或最劇烈。可燃性氣體、蒸氣的爆炸極限一般用可燃氣體或蒸氣在混合氣體中的所占體積分數來表示；可燃粉塵的爆炸極限是以在混合物中的質量濃度(gm3)來表示。 可燃性氣體的體積分數及質量濃度比在20時的換算公式如下：Y-有害氣體的質量濃度，mg/m3M-有害氣體的摩爾質量，g/molC-有害氣體的體積分數，Ml/m3 CMY33104.2210CM

10、4.22工業防毒技術- 14 -工業防毒技術- 15 -例1-1 在標準狀態下,10 ML/m3的二氧化硫相當于多少mg/m3? Y=64/22.410=28.5 mg/m3工業防毒技術- 16 -式中：L下可燃性混合物爆炸下限，；L上可燃性混合物爆炸上限，；N每摩爾可燃氣體完全燃燒所需的氧原子數；M可燃氣體的摩爾質量，gmol；Vt可燃氣體摩爾體積，Lmol。根據完全燃燒反應所需的氧原子數估算有機物的爆炸下限和上限，其經驗公式如下。各種可燃氣體和燃性液體蒸氣的爆炸極限，可用專門儀器測定出來，或用經驗公式估算。爆炸極限的估算值與實驗值一般有些出入，其原因是在計算式中只考慮到混合物的組成，而無法

11、考慮其他一系列因素的影響，但仍不失去參考價值。工業防毒技術- 17 -例4 試求乙烷在空氣中的爆炸濃度下限和上限。寫出乙烷的燃燒反應式：2C2H6十7O2 = 4CO2十6H2O 工業防毒技術- 18 -用爆炸上限與下限濃度之差與爆炸下限濃度之比值表示其危險度H，即： H = (L上L下)/ L下 或 H = (Y上Y下)/ Y下 例如，甲烷氣體的危險度為： H 甲烷 = (L甲烷上L甲烷下)/ L甲烷下 =（154.9）/4.9 = 2.06 H 乙炔 = (L乙炔上L乙炔下)/ L乙炔下 =（802.55）/2.55 = 30.37 H值越大，表示可燃性混合物的爆炸極限范圍越寬，其爆炸危險

12、性越大。 爆炸極限濃度范圍取決于有毒有害物質的種類、混合氣體成分、溫度、壓力、燃點等因素，另外，其燃燒過程在一定程度上還取決于容器的形狀和混合氣體的流速等因素。工業防毒技術- 19 -1初始溫度 混合氣著火前的初溫升高，會使分子的反應活性增加，導致爆炸范圍擴大，即爆炸下限降低，上限提高，從而增加了混合物的爆炸危險性。 2初始壓力 增加混合氣體的初始壓力，通常會使上限顯著提高，爆炸范圍擴大。增加壓力還能降低混合氣的自燃點，這樣使得混合氣在較低的著火溫度下能夠發生燃燒。原因在于，處在高壓下的氣體分子比較密集，濃度較大，這樣分子間傳熱和發生化學反應比較容易，反應速度加快，而散熱損失卻顯著減少。壓力對

13、甲烷爆炸極限的影響。在已知的氣體中，只有CO的爆炸范圍是隨壓力增加而變窄的。 混合氣在減壓的情況下，爆炸范圍會隨之減小。壓力降到某一數值，上限與下限重合，這一壓力稱為臨界壓力。低于臨界壓力，混合氣則無燃燒爆炸的危險。在一些化工生產中，對爆炸危險性大的物料的生產、貯運往往采用在臨界壓力以下的條件進行，如環氧乙烷的生產和貯運。 工業防毒技術- 20 -3惰性氣體含量 爆炸性混合氣體中加入惰性氣體，如氮、氧、水蒸氣、二氧化碳、四氯化碳等，可以使可燃氣分子和氧分子隔離，在它們之間形成一層不燃燒的屏障。這層屏障可以吸收能量，使游離基消失，鏈鎖反應中斷，阻止火焰蔓延到其他可燃氣分子上去，抑制燃燒進行，起到

14、防火和滅火的作用。 混合氣體中增加惰性氣體含量，會使爆炸上限顯著降低，爆炸范圍縮小。惰性氣體增到一定濃度時，可使爆炸范圍為零，混合物不再燃燒。惰性氣體含量對上限的影響較之對下限的影響更為顯著的原因，是因為在爆炸上限時，混合氣中缺氧使可燃氣不能完全燃燒，若增加惰性氣體含量，會使氧量更加不足，燃燒更不完全，由此導致爆炸上限急劇下降。 工業防毒技術- 21 -4爆炸容器對爆炸極限的影響爆炸容器的材料和尺寸對爆炸極限有影響，若容器材料的傳熱性好，管徑越細，火焰在其中越難傳播，爆炸極限范圍變小。當容器直徑或火焰通道小到某一數值時，火焰就不能傳播下去，這一直徑稱為臨界直徑或最大滅火間距。如甲烷的臨界直徑為

15、0.40.5mm，氫和乙炔為0.10.2 mm.目前一般采用直徑為50mm的爆炸管或球形爆炸容器。5點火源的影響當點火源的活化能量越大，加熱面積越大，作用時間越長，爆炸極限范圍也越大。一般情況下，爆炸極限均在較高的點火能量下測得，如測甲烷與空氣混合氣體的爆炸極限時，用10J以上的點火能量，其爆炸極限為515。但當點火能源高到一定程度時，爆炸極限會趨于一個穩定值，不再變寬。工業防毒技術- 22 -6、火焰的傳播方向(點火位置) 當從下部點火，火焰垂直由下向上傳播時，爆炸下限值最小，上限值最大； 當從上部點火，火焰垂直由上向下傳播時，爆炸下限值最大，上限值最小； 火焰水平傳播時，爆炸上下限值介于前

16、兩者之間。7、含氧量 當混合氣中含氧量增加時，爆炸極限范圍變寬。 增加氧含量使爆炸上限顯著增加，但對爆炸下限影響不大，由于空氣中含氧量為21%（體積百分數），處于空氣中爆炸的下限時，其組分中氧含量已很高，也就是說處在下限濃度時，氧氣對燃氣是過量的。增加氧含量對爆炸下限影響不大。工業防毒技術- 23 -為了保證生產過程的安全性，應用燃燒凈化技術時，應盡量避開爆炸極限濃度范圍。若生產過程中有多種物質與空氣混合時，其爆炸極限可計算。100.abcAabcAAA混=A混：幾種蒸汽與空氣混合后的爆炸極限Aa、Ab、Ac：每種組分的爆炸極限%A、b、c各組分在幾種蒸汽混合物中的含量%工業防毒技術- 24

17、-例如：一天然氣組成如下：甲烷例如：一天然氣組成如下：甲烷80%80%（L L下下=5.0%=5.0%）、乙烷）、乙烷15%15%（L L下下=3.22%=3.22%）、）、丙烷丙烷4%4%（L L下下=2.37%=2.37%）、丁烷）、丁烷1%1%（L L下下=1.86%=1.86%）求爆炸下限。）求爆炸下限。 Am=100/Am=100/（80/5+15/3.22+4/2.37+1/1.8680/5+15/3.22+4/2.37+1/1.86）=4.369 =4.369 工業防毒技術- 25 -（四）火焰傳播理論1.熱傳播理論 這類理論認為：火焰傳播是依靠燃燒時所放出的熱量加熱周圍的氣體，

18、使其達到燃燒所需要的溫度而實現的。即火焰正常傳播是依靠氣體分子熱運動的導熱方式將熱量從高溫的燃燒區(即火焰前沿)傳給與火焰臨近的低溫未燃氣體燃料，使未燃的新鮮氣體燃料的溫度提高到著火溫度而燃燒，燃燒的火焰就會一層層地傳播到整個容器因此，能否實現火焰傳播主要與三個方面的因素有關：混合氣體中的含氧量；混合氣體中含有可燃組分的濃度；輔助燃料燃燒過程中所放出的熱量。當燃燒過程中放出的熱量不足以使周圍的氣體達到燃燒所需要的溫度，火焰自然不能向外傳播；當助燃廢氣中的含氧量不足，燃燒過程難以進行，火焰也不能傳播出去。2.自由基連鎖反應理論該種理論認為：在燃燒室中，火焰之所以能夠進行很快的氧化反應，就是因為火

19、焰中存在著大量活性很大的自由基。由于自由基是具有不飽和價的自由原子或原子團，極易同其他的原子或自由基發生連續的連鎖反應，而使得火焰得以傳播。 工業防毒技術- 26 -工業防毒技術- 27 -二、熱力燃燒機（一）熱力燃燒機理熱力燃燒的機理大致可以分為以下三個步驟。(1)輔助燃料的燃燒提高熱量；(2)廢氣與高溫燃氣混合達到反應溫度；(3)廢氣中可燃組分氧化反應保證廢氣于反應溫度時所需要的駐留時間。具體的流程圖1所示。在整個熱力燃燒的過程中，是否用廢氣作為助燃氣體，要視廢氣中的含氧量的多少而定，當廢氣中的含氧量足夠燃燒過程中的需氧量時，可以使部分廢氣作為助燃氣體；當不夠時，則應以空氣作為助燃氣體，廢

20、氣全部旁通。此外，輔助燃料用量的多少與廢氣的初始溫度有很大關系。如廢氣的初溫低，消耗的輔助燃料就多；初溫較高，消耗的輔助燃料就少。因此，在工程設計中，利用燃燒過程中產生的預熱廢氣可以節約大量的輔助燃料。 工業防毒技術- 28 -工業防毒技術- 29 -( (二二) )熱力燃燒的熱力燃燒的“三三T T”條件條件 “三三T T”條件指的是條件指的是反應溫度反應溫度(Reaction Temperature)(Reaction Temperature)、駐留時間駐留時間(Residential (Residential Time)Time)、湍流混合湍流混合(Turbulence Mix)(Turb

21、ulence Mix)。掌握。掌握“三三T T”條件對于熱力燃燒的過程是至條件對于熱力燃燒的過程是至關重要的。關重要的。 1 1反應溫度對熱力燃燒的影響反應溫度對熱力燃燒的影響反應溫度反應溫度是指在所要求的反應時間和湍流混合條件下，使有毒有害物質完成是指在所要求的反應時間和湍流混合條件下，使有毒有害物質完成氧化分解反應的溫度。在足夠的反應時間和湍流混合條件下，溫度升高會加速反氧化分解反應的溫度。在足夠的反應時間和湍流混合條件下，溫度升高會加速反應的進行。應的進行。反應溫度：不是反應可以進行的溫度是反應速度可達到要求時的溫度。反應溫度：不是反應可以進行的溫度是反應速度可達到要求時的溫度。換言之：

22、在一定的區域內，可燃組分的銷毀達到設計要求所需要的溫度。換言之：在一定的區域內，可燃組分的銷毀達到設計要求所需要的溫度。 2 2駐留時間對熱力燃燒的影響駐留時間對熱力燃燒的影響 駐留時間駐留時間是指廢氣與高溫燃氣的混合時間，以及使冷廢氣溫度達到其反應是指廢氣與高溫燃氣的混合時間，以及使冷廢氣溫度達到其反應溫度所需的時間。駐留時間一般取溫度所需的時間。駐留時間一般取燃燒室容積與混合氣體體積流量之比的平均值燃燒室容積與混合氣體體積流量之比的平均值。燃燒爐的駐留時燃燒爐的駐留時間間工業防毒技術- 30 -就燃燒反應時間來說，其變化范圍在小于就燃燒反應時間來說，其變化范圍在小于1/10s1/10s幾幾

23、s s之間駐留時間充分，之間駐留時間充分，可以使有害氣體的銷毀更機充分。可以使有害氣體的銷毀更機充分。工業防毒技術- 31 -3 3湍流混合對于熱力燃燒的影響湍流混合對于熱力燃燒的影響湍流混合湍流混合是指廢氣與空氣混合，以及廢氣與高溫燃氣的混合程度。是指廢氣與空氣混合，以及廢氣與高溫燃氣的混合程度。湍流混合湍流混合的目的，實際上就是要增大可燃組分的分子與氧分子或自由基的碰撞機會，使其處的目的，實際上就是要增大可燃組分的分子與氧分子或自由基的碰撞機會，使其處于分子接觸的水平，以保證所要求的銷毀率。于分子接觸的水平，以保證所要求的銷毀率。則取決于燃燒室的形狀、尺寸，以及則取決于燃燒室的形狀、尺寸，

24、以及燃燒器的型式和布置等。燃燒器的型式和布置等。“三三T T”條件之間是具有內在聯系的，改變其中的任何一個條件，其他兩項都條件之間是具有內在聯系的，改變其中的任何一個條件，其他兩項都可以得到相應的改變。如提高反應溫度，使得反應速度加快，就可以適當地降低駐可以得到相應的改變。如提高反應溫度，使得反應速度加快，就可以適當地降低駐留時間和湍流強度。然而，在這留時間和湍流強度。然而，在這“三三T T”條件中，條件中，延長駐留時間延長駐留時間會使設備體積增大；會使設備體積增大；提高反應溫度提高反應溫度會使輔助燃料的消耗增加。因此，會使輔助燃料的消耗增加。因此，最經濟的方法就是改善湍流混合最經濟的方法就是

25、改善湍流混合情情況，以增大分子接觸的機會。這就需要在設計燃燒室的時候充分注意其內部的結構。況，以增大分子接觸的機會。這就需要在設計燃燒室的時候充分注意其內部的結構。工業防毒技術- 32 -圖圖3 溫度和時間對可燃組分氧溫度和時間對可燃組分氧化速率的影響化速率的影響工業防毒技術- 33 -三、熱力燃燒法的燃料消耗熱力燃燒中所消耗的輔助燃料按照熱量衡算，只要滿足將全部廢氣升溫到反應溫度（760-820）即可。廢氣中可燃組分的熱值可以減少上述衡算中的輔助燃料用量。如果廢氣中的可燃組分濃度高或者廢氣的初始溫度高，那么輔助燃料的用量也會減少。工業防毒技術- 34 -例例1.1.設有廢氣以熱力燃燒法凈化，

26、需從設有廢氣以熱力燃燒法凈化，需從2020度升溫到度升溫到760760度，用度，用天然氣為輔助燃料，以廢氣助燃。使用天然氣為輔助燃料，以廢氣助燃。使用80%80%過量的助燃廢氣。過量的助燃廢氣。廢氣所含可燃組分的熱值忽略不計。含氧量與空氣一樣。試廢氣所含可燃組分的熱值忽略不計。含氧量與空氣一樣。試估算每凈化估算每凈化1000m31000m3廢氣需用天然氣多少立方米？助燃廢氣與廢氣需用天然氣多少立方米？助燃廢氣與旁通廢氣各占百分比多少？旁通廢氣各占百分比多少？例例2 2 上例中設廢氣所含的可燃組分為酒精蒸汽上例中設廢氣所含的可燃組分為酒精蒸汽10g/m10g/m3 3, , 而酒而酒精熱值精熱值

27、 為為29730kJ/kg,29730kJ/kg,試估算每凈化試估算每凈化1000m1000m3 3廢氣所需的天然廢氣所需的天然氣，以及助燃廢氣與旁通廢氣所占的百分比。氣，以及助燃廢氣與旁通廢氣所占的百分比。工業防毒技術- 35 -第三節第三節 熱力燃燒爐熱力燃燒爐熱力燃燒爐的主體結構分成兩部分：熱力燃燒爐的主體結構分成兩部分：一是燃燒器一是燃燒器，輔助燃料在其中燃燒，產生高，輔助燃料在其中燃燒，產生高溫燃氣；溫燃氣；二是燃燒室二是燃燒室，高溫燃氣與冷廢氣在燃燒室湍流混合，達到反應溫度并保持所需的，高溫燃氣與冷廢氣在燃燒室湍流混合，達到反應溫度并保持所需的駐留時間。駐留時間。針對不同的要求和火

28、焰燃燒的情況，燃燒器和燃燒室有各種不同的結構。針對不同的要求和火焰燃燒的情況，燃燒器和燃燒室有各種不同的結構。一、配焰燃燒器系統一、配焰燃燒器系統圖圖4 4為配焰式燃燒器系統，其工藝特點是：燃燒器將火焰配布成為許多布點成線為配焰式燃燒器系統，其工藝特點是：燃燒器將火焰配布成為許多布點成線的小火焰，廢氣從火焰周圍流過去，迅速達到湍流混合。因此可以看出，該的小火焰，廢氣從火焰周圍流過去，迅速達到湍流混合。因此可以看出，該種燃燒有種燃燒有火焰分散、混合程度高、燃燒凈化效率高火焰分散、混合程度高、燃燒凈化效率高等特點。但當廢氣貧氧，等特點。但當廢氣貧氧，廢氣中含有易沉積的油焦或顆粒物。輔助燃料為油料時

29、，這種系統都不適用。廢氣中含有易沉積的油焦或顆粒物。輔助燃料為油料時，這種系統都不適用。圖圖4 配焰燃燒器系統配焰燃燒器系統工業防毒技術- 36 -（一）結構類型（一）結構類型根據燃燒結構的不同，該種形式的燃燒器又可分為根據燃燒結構的不同，該種形式的燃燒器又可分為火焰成線式燃燒器火焰成線式燃燒器( (見圖見圖5)5)、多燒嘴式燃燒器多燒嘴式燃燒器( (見圖見圖6)6)和和格柵式燃燒器格柵式燃燒器( (見圖見圖7)7)。圖圖5 5 火焰成線式的燃燒器火焰成線式的燃燒器( (帶側擋板帶側擋板) )圖圖6 多燒嘴式燃燒器系統多燒嘴式燃燒器系統圖圖7 格柵式燃燒器格柵式燃燒器工業防毒技術- 37 -火

30、焰成線式燃燒器火焰成線式燃燒器的輔助燃料氣從下部管子引入，作為助燃氣體的廢氣從的輔助燃料氣從下部管子引入，作為助燃氣體的廢氣從V V形形板側面的小孔引入，旁通廢氣從板側面的小孔引入，旁通廢氣從V V形板與側擋板間的縫隙引入。這就是該種形板與側擋板間的縫隙引入。這就是該種燃燒器的特點。當壓力降為燃燒器的特點。當壓力降為392392266Pa(40mmH266Pa(40mmH2 2O)O)時，該種燃燒器形成的火時，該種燃燒器形成的火焰短而穩定，湍流混合程度較好。焰短而穩定，湍流混合程度較好。多燒嘴式燃燒器多燒嘴式燃燒器的輔助燃料氣從后面引入，廢氣分為兩路，助燃氣體和旁通氣的輔助燃料氣從后面引入，廢

31、氣分為兩路，助燃氣體和旁通氣體的量通過調節體的量通過調節d d的大小來控制。該種燃燒器的助燃較好，與火焰成線式相的大小來控制。該種燃燒器的助燃較好，與火焰成線式相比，不易熄火。但湍流混合不夠理想。因此，在燃燒室中應增設擋板或其比，不易熄火。但湍流混合不夠理想。因此，在燃燒室中應增設擋板或其他措施，提高混合程度。他措施，提高混合程度。格柵式燃燒器格柵式燃燒器的輔助燃料氣從底部分配管引入，廢氣從下部引入，該種燃燒器的輔助燃料氣從底部分配管引入，廢氣從下部引入，該種燃燒器湍流混合較好，適用于廢氣流量較為穩定的情況。但如壓力調節不當，會湍流混合較好，適用于廢氣流量較為穩定的情況。但如壓力調節不當，會發

32、生熄火情況。發生熄火情況。工業防毒技術- 38 -（二）設計問題（二）設計問題針對配焰式燃燒器的結構，其燃燒室要注意解決以下的問題。針對配焰式燃燒器的結構，其燃燒室要注意解決以下的問題。(1)(1)燃燒器的安裝位置燃燒器的安裝位置 為保證溫度分布均勻，反應完全，燃燒器應為保證溫度分布均勻，反應完全，燃燒器應安置在斷面流速盡可能分布均勻的端處，而不要放置在渦流地帶。安置在斷面流速盡可能分布均勻的端處，而不要放置在渦流地帶。(2)(2)燃燒室截面積燃燒室截面積 為保證足夠的湍流程度，應滿足：為保證足夠的湍流程度，應滿足：矩形截面時：矩形截面時：QD/AQD/A10.810.8圓形截面時：圓形截面時

33、：Q/D Q/D 8.58.5式中式中 Q Q總體積流量；總體積流量； D D直徑或當量直徑；直徑或當量直徑； A A截面積。截面積。(3)(3)燃燒室內設置擋板燃燒室內設置擋板 由于燃燒室的邊壁效應或燃燒器的結構形式，由于燃燒室的邊壁效應或燃燒器的結構形式，都有可能產生局部混合不好，為避免這種現象，應在火焰沖擊范都有可能產生局部混合不好，為避免這種現象，應在火焰沖擊范圍以外裝設擋板，以提高湍流混合的程度。圍以外裝設擋板，以提高湍流混合的程度。表表3-83-8反映了有無擋板之間的差別。反映了有無擋板之間的差別。工業防毒技術- 39 -二、離焰式燃燒系統 圖8是一個離焰式燃燒系統裝置示意。這種燃

34、燒系統的特點是高溫燃氣與廢氣的混合是分離開的，而不像配焰系統那樣將火焰與廢氣一起分成許多小股。所以，就混合效果來講，不如配焰系統。但是離焰式燃燒器又具有以下優點：由于火焰較長，不易熄火，輔助燃料既可以使用燃料油，又可使用燃料氣(見圖9)，燃料氣與助燃氣體的流速可調幅度大，工作壓力范圍寬。圖圖8 8 使用離焰燃燒器的燃燒爐使用離焰燃燒器的燃燒爐圖圖9 油氣兩用燃燒器油氣兩用燃燒器工業防毒技術- 40 -因此，在克服離焰式燃燒系統混合問題上，出現許多方法。因此，在克服離焰式燃燒系統混合問題上，出現許多方法。(1)(1)在圖在圖1010中，燃燒過程中火焰噴射產生的抽力將廢氣引入，然后在聯管中，燃燒過

35、程中火焰噴射產生的抽力將廢氣引入，然后在聯管處充分混合，克服了混合速度慢的問題。處充分混合，克服了混合速度慢的問題。(2)(2)讓廢氣與火焰徑向進入燃燒室，增強橫向混合速度，利用這一點改善讓廢氣與火焰徑向進入燃燒室，增強橫向混合速度，利用這一點改善混合情況。混合情況。(3)(3)在燃燒室內設置擋板在燃燒室內設置擋板( (見圖見圖11)11)增加湍流強度，提高混合速度。但要注增加湍流強度，提高混合速度。但要注意正確放置擋板。否則不僅不能改善混合情況，還會造成死角，惡化意正確放置擋板。否則不僅不能改善混合情況，還會造成死角，惡化混合情況，降低燃燒室的有效體積，減少駐留時間。混合情況，降低燃燒室的有

36、效體積，減少駐留時間。圖圖10 10 軸向火焰的噴射混合軸向火焰的噴射混合圖圖11 燃燒室內擋板的設置燃燒室內擋板的設置工業防毒技術- 41 -三、有關的工程設計問題三、有關的工程設計問題（一）燃燒室形狀（一）燃燒室形狀燃燒室不宜有燃燒室不宜有9090度或度或180180度的拐彎度的拐彎（二）垂直燃燒爐火煙囪燃燒爐（二）垂直燃燒爐火煙囪燃燒爐燃燒爐垂直安裝還是水平安裝，要看地點、面積、屋頂載重以及當地最大風燃燒爐垂直安裝還是水平安裝，要看地點、面積、屋頂載重以及當地最大風速等條件。速等條件。（三）（三）燃燒爐設計尺寸燃燒爐設計尺寸四、熱量回收利用四、熱量回收利用1.1.熱量回收熱量回收2.2.

37、熱凈化氣回收利用熱凈化氣回收利用3.3.向廢熱利用設備供熱向廢熱利用設備供熱工業防毒技術例題設有一個熱力燃燒爐，用于處理凹版印刷車間排出的含甲苯廢氣。廢氣含甲苯500mg/m3,但甲苯組分的燃燒熱、升溫及比熱均忽略不計，廢氣的有關物理參數按空氣計算。廢氣排出量為1500m3/h，排出溫度20 燃燒爐使用天然氣，以廢氣助燃。有關的空氣及燃料氣的特性參數見表3-4，3-5，3-6。試計算燃燒爐的設計尺寸。- 42 -工業防毒技術- 43 -五、利用鍋爐燃燒室進行熱力燃燒五、利用鍋爐燃燒室進行熱力燃燒鍋爐作用燃燒凈化爐與熱力燃燒爐比較，其鍋爐作用燃燒凈化爐與熱力燃燒爐比較，其優點優點是：是：1.1.

38、不需要大量設備投資；不需要大量設備投資；2.2.鍋爐起到供氣與凈化廢氣雙重作用；鍋爐起到供氣與凈化廢氣雙重作用；3.3.對于廢氣凈化，不再需要輔助燃料或只需少量燃料；對于廢氣凈化，不再需要輔助燃料或只需少量燃料；4.4.操作維護費用也只有一份操作維護費用也只有一份5.5.少數情況下如果廢氣有較大熱值，還可節約燃料；少數情況下如果廢氣有較大熱值，還可節約燃料；其其缺點缺點是：是：1.1.如果廢氣流量相對較大，則鍋爐所耗燃料將增加，壓力增大；如果廢氣流量相對較大，則鍋爐所耗燃料將增加，壓力增大；2.2.可能因鍋爐的燃燒器、管子結垢，而增加維護費用；可能因鍋爐的燃燒器、管子結垢，而增加維護費用；3.

39、3.為凈化廢氣，無論蒸汽需用情況如何，鍋爐都需適當的燒著；為凈化廢氣，無論蒸汽需用情況如何，鍋爐都需適當的燒著；4.4.一般應有幾臺鍋爐，其中一臺備用；一般應有幾臺鍋爐，其中一臺備用；工業防毒技術- 44 - 第四節第四節 催化燃燒原理催化燃燒原理 有機廢氣是石油化工、輕工、塑料、印刷、涂料等行業排放的常見污染物，有機廢氣中常含有烴類化合物（芳烴、烷烴、烯烴）、含氧有機化合物（醇、酮、有機酸等）、含氮、硫、鹵素及含磷有機化合物等。如對這些廢氣不加處理，直接排入大氣將會對環境造成嚴重污染，危害人體健康。傳統的有機廢氣凈化方法包括吸附法、冷凝法和直接燃燒法等，這些方法常有易產生二次污染、能耗大、易

40、受有機廢氣濃度和溫度限制等缺點。而新興的催化燃燒技術已由實驗階段走向工程實踐，并逐漸應用于石油化工、農藥、印刷、涂料、電線加工等行業。工業防毒技術- 45 -催化燃燒的基本原理催化燃燒是典型的氣-固相催化反應，其實質是活性氧參與的深度氧化作用。在催化燃燒過程中，催化劑的作用是降低活化能，同時催化劑表面具有吸附作用，使反應物分子富集于表面提高了反應速率，加快了反應的進行。借助催化劑可使有機廢氣在較低的起燃溫度條件下，發生無焰燃燒，并氧化分解為CO2和H2O，同時放出大量熱能，其反應過程為：熱量催化劑 OH2mnCOO4mnHC222mn工業防毒技術- 46 -催化燃燒是用催化劑使廢氣中可燃物質在

41、較低溫度下氧化分解的凈化催化燃燒是用催化劑使廢氣中可燃物質在較低溫度下氧化分解的凈化方法。所以，催化燃燒又稱為方法。所以，催化燃燒又稱為催化化學轉化催化化學轉化。使廢氣中的污染物轉化成無。使廢氣中的污染物轉化成無害物，甚至是有用的副產品，或者轉化成更容易從氣流中分離而被去除的害物，甚至是有用的副產品，或者轉化成更容易從氣流中分離而被去除的物質。由于催化劑加速了氧化分解的歷程，大多數碳氫化合物在物質。由于催化劑加速了氧化分解的歷程，大多數碳氫化合物在300300一一450450的溫度時，通過催化劑就可以氧化完全。因此，與熱力燃燒法相比，的溫度時，通過催化劑就可以氧化完全。因此，與熱力燃燒法相比，

42、催化燃燒法所需的輔助燃料少，能量消耗低，設備設施的體積小。催化燃燒法所需的輔助燃料少，能量消耗低，設備設施的體積小。 環保催化劑的一般要求環保催化劑的一般要求1.1.極高的凈化效率極高的凈化效率催化劑具有高活性（使反應物轉化的能力）。催化劑具有高活性（使反應物轉化的能力）。2.2.處理量大處理量大3.3.抗毒能力強、化學穩定性高、選擇性好抗毒能力強、化學穩定性高、選擇性好4.4.高強度、高穩定性；高強度、高穩定性；5.5.凈化設備結垢簡單、投資低；凈化設備結垢簡單、投資低；6.6.要求不產生二次污染要求不產生二次污染工業防毒技術- 47 -一個工業催化過程一般包括一個工業催化過程一般包括催化劑

43、的選擇、催化操作條件的選擇和催化反催化劑的選擇、催化操作條件的選擇和催化反應器的選擇應器的選擇及設計三個步驟。及設計三個步驟。一、催化劑一、催化劑1 1、 催化劑的主要性能指標催化劑的主要性能指標: :活性、選擇性、穩定性活性、選擇性、穩定性催化劑活性催化劑活性 *:RRmAt mAthmg催化劑活性，kg/(h g)m:產品質量,kg反應時間，催化劑質量，工業防毒技術- 48 -催化劑的選擇性100%B 反應所得目的產物的物質的量通過催化劑床層的反應物物質的量催化劑的穩定性催化劑在化學反應過程中保持活性的能力，包括熱穩定性、機械穩定性和化學穩定性工業防毒技術- 49 -2、催化劑的組成及種類

44、 催化劑通常由主活性成分、助催化劑和載體組成 主活性物質。能單獨對化學反應起催化作用。主活性物質。能單獨對化學反應起催化作用。 助催化劑；本身沒有什么催化性能，但它的少量加入能明助催化劑；本身沒有什么催化性能，但它的少量加入能明顯提高主活性物質的催化性能。顯提高主活性物質的催化性能。 載體。用以承載主活性物質和助催化劑，它的基本作用在載體。用以承載主活性物質和助催化劑，它的基本作用在于提供于提供大的比表面積大的比表面積以節約主活性物質，并改善催化劑的傳以節約主活性物質，并改善催化劑的傳熱、抗熱沖擊和機械沖擊等物理性能。熱、抗熱沖擊和機械沖擊等物理性能。目前催化劑的種類已相當多，按活性成分大體可

45、分3類。（1）貴金屬催化劑工業防毒技術 鉑、鈀、釕等貴金屬對烴類及其衍生物的氧化都具有很高的催化活性，且使用壽命長，適用范圍廣，易于回收，因而是最常用的廢氣燃燒催化劑。如我國最早采用的Pt-Al2O3催化劑就屬于此類催化劑。但由于其資源稀少，價格昂貴，耐中毒性差，人們一直努力尋找替代品（2）過渡金屬氫化物催化劑作為取代貴金屬催化劑，采用氧化性較強的過渡金屬氧化物，對甲烷等烴類和一氧化碳亦具有較高的活性，同時降低了催化劑的成本，常見的有MnOx、CoOx和CuOx等催化劑。大連理工大學研制的含MnO2催化劑，在130及空速13000h-1的條件下能消除甲醇蒸氣，對乙醛、丙酮、苯蒸氣的清除也很有效

46、果- 50 -工業防毒技術- 51 -（3）復氧化物催化劑一般認為，復氧化物之間由于存在結構或電子調變等相互作用，活性比相應的單一氧化物要高。主要有以下兩大類：I鈣鈦礦型復氧化物稀土與過渡金屬氧化物在一定條件下可以形成具有天然鈣鈦礦型的復合氧化物，通式為ABO3，其活性明顯優于相應的單一氧化物。結構中一般A為四面體型結構，B為八面體形結構，這樣A和B形成交替立體結構，易于取代而產生品格缺陷，即催化活性中心位，表面晶格氧提供高活性的氧化中心，從而實現深度氧化反應。常見的有幾類如：BaCuO2、LaMnO3等。II尖晶石型復氧化物作為復氧化物重要的一種結構類型，以AB2X4表示.尖晶石亦具有優良的

47、深度氧化催化活性，如對CO的催化燃燒起燃點落在低溫區（約80），對烴類亦在低溫區可實現完全氧化.其中研究最為活躍的CuMn2O4尖晶石，對芳烴的活性尤為出色，如使甲苯完全燃燒只需260，實現低溫催化燃燒，具有特別實際意義。工業防毒技術- 52 -3、 催化劑負載方式催化劑活性組分可通過下列方式沉積在載體上：(1)電沉積在纏繞或壓制的金屬載體上；(2)沉積在顆粒狀陶瓷材料上；(3)沉積在蜂窩結構的陶瓷材料上。金屬載體催化劑一般是將金屬制成絲網或帶狀，然后將活性組分沉積在其上。金屬載體催化劑的優點是導熱性能好、機械強度高，缺點是比表面積較小。陶瓷載體結構有顆粒狀及蜂窩狀兩大類，陶瓷材料通常為硅-鋁

48、氧化物。顆粒狀載體的優點是比表面積大，缺點是壓降大以及因載體間相互摩擦，造成活性組分磨耗損失。蜂窩載體是比較理想的載體型式，具有很高的比表面，壓力降較片粒柱狀低，機械強度大，耐磨、耐熱沖擊。工業防毒技術- 53 -工業防毒技術- 54 -二、催化燃燒原理二、催化燃燒原理（一）催化燃燒原理（一）催化燃燒原理（二）催化氧化的轉化率與駐留時間（二）催化氧化的轉化率與駐留時間1 1、催化氧化的轉化率、催化氧化的轉化率 實驗表明，催化劑床層中任何一點的氧化反應均為一級反應，即該點實驗表明，催化劑床層中任何一點的氧化反應均為一級反應，即該點的氧化速率與該點濃度成正比。以微分式表示：的氧化速率與該點濃度成正

49、比。以微分式表示：常數積分可得；將上式變數分離，兩邊數。氧化反應的有效速率常速率，即氧化速度；該點可燃組分濃度降低留時間；廢氣在催化劑床層的駐可燃組分濃度；式中效效效效KKKKcdcdcddcccdlndc工業防毒技術- 55 -sKccsKffKfcfccKcfccKcc駐留時間，廢氣通過催化劑床層的常數，可燃組分氧化有效速率層的轉化率；可燃組分通過催化劑床式中變成指數形式后）則有：，催化氧化的轉化率為后的終濃度為床層，即經歷駐留時間設廢氣通過整個催化劑，即可定出常數項偉，應用初始條件效催催效催初催終初效終催終初效初初效11)1ln(1 (lnlnlnlnln,0工業防毒技術- 56 -如果

50、經過預熱后的廢氣含氧量超過可燃組分所需的如果經過預熱后的廢氣含氧量超過可燃組分所需的2%2%以上，則氧化速率不依賴于以上，則氧化速率不依賴于廢氣中氧的濃度。氧化轉化率有兩個因素的乘積所決定：廢氣中氧的濃度。氧化轉化率有兩個因素的乘積所決定：一是廢氣通過催化劑床層的駐留時間；一是廢氣通過催化劑床層的駐留時間；二是氧化過程的有效速率系數二是氧化過程的有效速率系數K K效效2 2、駐留時間、駐留時間在催化劑研究中，在催化劑研究中， 稱為駐留時間或接觸時間，指反應氣體通過催化劑床層中自稱為駐留時間或接觸時間，指反應氣體通過催化劑床層中自由空間所需的時間。接觸時間越短，表示同樣體積的催化劑處理的廢氣越多

51、，由空間所需的時間。接觸時間越短，表示同樣體積的催化劑處理的廢氣越多，所以它是表示催化劑處理能力的參數之一，所以它是表示催化劑處理能力的參數之一，VVKssfmmmVmVVV氣催效催氣催氣催催化劑床層的空隙率，廢氣的體積流量，催化劑床層的體積，式中1/;/;)(3333工業防毒技術- 57 -SVSV稱為稱為空間速度空間速度。通常以單位體積催化劑、每小時通過的氣體體積（換算。通常以單位體積催化劑、每小時通過的氣體體積（換算至標準狀態）計算，至標準狀態）計算，SV=SV=廢氣的體積流量，廢氣的體積流量，m m3 3/h/h空間速度值越高，表示催化劑的處理能力越大。空間速度值越高，表示催化劑的處理

52、能力越大。線速度線速度指反應氣體在反應條件下通過催化劑床層自由截面積的速率，指反應氣體在反應條件下通過催化劑床層自由截面積的速率，線速度線速度= =催化劑體積，m3反應條件下氣流的體積流速，m3/s床層截面積空隙率，m2工業防毒技術- 58 -( (三）有效速率常數三）有效速率常數K K效效的經驗數據的經驗數據1.1.催化過程機理催化過程機理氣固相催化反應的過程分為以下七個步驟：氣固相催化反應的過程分為以下七個步驟：反應物從氣流主體向催化劑外表面擴散反應物從氣流主體向催化劑外表面擴散( (外擴散過程外擴散過程) )反應物由催化劑外表面沿微孔方向向催化劑內部擴散反應物由催化劑外表面沿微孔方向向催

53、化劑內部擴散( (內擴散過程內擴散過程) )；反應物在催化劑的表面上被吸附反應物在催化劑的表面上被吸附( (吸附過程吸附過程) )；吸附的反應物發生化學反應轉化成反應生成物吸附的反應物發生化學反應轉化成反應生成物( (表面反應過程表面反應過程) )；反應生成物從催化劑表面上脫附反應生成物從催化劑表面上脫附( (脫附過程脫附過程) )：脫附的生成物從微孔向外擴散到催化劑的外表面處脫附的生成物從微孔向外擴散到催化劑的外表面處( (內擴散過程內擴散過程) )；生成物從催化劑外表面擴散到主氣流中被帶走生成物從催化劑外表面擴散到主氣流中被帶走( (外擴散過程外擴散過程) )。工業防毒技術- 59 -工業

54、防毒技術2、催化轉化的有效速率常數 化學反應和質量傳遞兩個過程- 60 -111=KKK效化質111=KKK效化質工業防毒技術- 61 -三、催化燃燒的影響因素三、催化燃燒的影響因素（一）催化劑性能的影響（一）催化劑性能的影響通常用通常用活性、選擇性和穩定性活性、選擇性和穩定性來表示催化劑的性能。來表示催化劑的性能。 （1 1）活性）活性活性是衡量催化劑加速化學反應速度的能力。工業上，催活性是衡量催化劑加速化學反應速度的能力。工業上，催化劑的活性化劑的活性常用單位體積常用單位體積( (或質量或質量) )催催化劑在一定溫度、壓力、反應物濃度和空速條件下，單位時間內所吸附的有害物量。化劑在一定溫度

55、、壓力、反應物濃度和空速條件下，單位時間內所吸附的有害物量。（2 2）選擇性）選擇性當化學反應在熱力學上有幾個反應方向時，一種催化劑在一定條件下只對其中一個反當化學反應在熱力學上有幾個反應方向時，一種催化劑在一定條件下只對其中一個反應方向起加速作用，這種特性稱為應方向起加速作用，這種特性稱為催化劑的選擇性（催化劑的選擇性（甲酸以氧化鋅作催化劑能分甲酸以氧化鋅作催化劑能分解為氫氣和二氧化碳，以氧化鈦時生成一氧化碳和水）解為氫氣和二氧化碳，以氧化鈦時生成一氧化碳和水）（3 3）穩定性。）穩定性。 催化劑在化學反應過程中保持活性的能力稱為催化劑在化學反應過程中保持活性的能力稱為催化劑的穩定性。催化劑的穩定性。它包括三個基本方它包括三個基本方面，即面，即熱穩定性、機械穩定性和抗毒穩定性熱穩定性、機械穩定性和抗毒穩定性。三者共同決定催化劑的使用期限。三者共同決定催化劑的使用期限。所以通常用所以通常用壽命壽命來表示催化劑的穩定性。來表示催化劑的穩定性。工業防毒技術- 62 -影響催化劑壽命的因素有影響催化劑壽命的因素有催化劑老化和中毒催化劑老化和中毒。(1)(1)催化劑老化催化劑老化。老化是指在正常工作條件下逐漸失去活性的過程。老化是指在正常工作條件下逐漸失去活性的過程。（低熔點活性組分流失、表面低溫燒結、內部雜質的遷移以及冷熱交（低熔點活性組分